我室石发展教授团队在基于金刚石氮-空位（NV）色心的生物传感领域取得重要进展。研究团队成功利用荧光纳米金刚石（FND）的量子传感特性，实现了在活细胞内对线粒体、细胞核等关键细胞器代谢活动的实时、动态监测，为揭示细胞代谢的时空异质性及其功能调控机制提供了强有力的新工具。该研究成果以“Subcellular Metabolic Tracking Using Fluorescent Nanodiamonds Relaxometry”为题，发表于国际期刊《Advanced Functional Materials》。

细胞代谢作为生命活动的核心过程，其动态变化与多种生理及病理状态密切相关。然而，传统代谢监测方法常受限于时空分辨率不足、光稳定性差或信号累积效应等问题，难以在活细胞环境中实现长时间、高精度的亚细胞水平观测。针对上述挑战，研究团队采用基于氮-空位（NV）中心的荧光纳米金刚石作为量子传感器，通过检测其自旋-晶格弛豫时间（T1）对环境中顺磁性物质的高灵敏响应，实现了对局部代谢活性的探测。

本研究的主要创新在于：开发了空间定位追踪与FND弛豫测量同步集成的技术方案，并结合自主构建的多模态光学成像系统，在记录单个FND运动轨迹的同时，实时获取其所处微环境的T1弛豫参数，从而实现代谢活动空间分布与动态演变的时空同步解析。通过实验表明，FND在多种生理溶液、固定细胞及活细胞环境中均表现出良好的T1稳定性，且对顺磁性物质的响应具有完全可逆性，适用于长期、动态的代谢过程监测。

通过对FND表面进行功能化修饰，研究团队成功实现对线粒体和细胞核的特异性靶向标记，为后续开展不同细胞器代谢的研究奠定基础。在线粒体靶向实验中，捕捉到解偶联剂CCCP诱导的氧化应激过程；此外还实现对活细胞核内微环境的T1弛豫测量，为理解细胞核区域的氧化还原状态提供了新视角。

图1：荧光纳米金刚石靶向线粒体并监测氧化应激。（a）未修饰FND（红色）与线粒体（绿色）共定位程度低；（b）线粒体靶向修饰后的FND与线粒体显著共定位；（c）定量分析证实靶向修饰显著提升线粒体富集效率；（d）加入药物后，T1弛豫时间下降，实时反映线粒体内自由基水平升高。

研究表明，基于荧光纳米金刚石的弛豫测量技术具备优良的生物相容性、光稳定性以及信号可靠性、可逆性等，能够支持对细胞代谢过程的实时、长时程观测，在癌症、代谢性疾病及神经退行性疾病等相关领域的基础与应用研究中展现出广阔前景。

我室苏佳特任副研究员和博士生曾麟寓为论文共同第一作者，石发展教授为通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金、中国科学院项目、量子科学与技术创新计划、新基石科学基金会以及中央高校基本科研业务费的资助。

论文链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202527416